閻世梁， 張 華， 肖曉萍， 王銀玲， 熊開封

(西南科技大學(xué)工程技術(shù)中心，四川綿陽621010)

0 引言

在強(qiáng)調(diào)工程教育“回歸工程、服務(wù)社會”的背景下，如何培養(yǎng)高素質(zhì)的，具有現(xiàn)代工程觀的工程師是高等工程教育一個主要目標(biāo)。在傳統(tǒng)的工程實踐教學(xué)中，實踐類型單一，實踐內(nèi)容的枯燥，缺乏學(xué)科間的交叉融合等現(xiàn)實因素導(dǎo)致學(xué)生缺乏興趣，實踐效果不明顯，極大地制約了學(xué)生綜合應(yīng)用能力的提升與創(chuàng)新意識的培養(yǎng)。因此，尋求具有吸引力的高度綜合的實踐教學(xué)載體是解決該問題的一種有效方式，實踐表明，以智能機(jī)器人為載體的工程實踐教學(xué)對提升學(xué)生的工程能力和創(chuàng)新意識具有明顯的效果［1］。

智能機(jī)器人作為一個多學(xué)科交叉融合的綜合載體，涵蓋了電子信息、機(jī)械、計算機(jī)、材料、生物等諸多大類學(xué)科，應(yīng)用范圍幾乎可以涉及到日常生活和軍事應(yīng)用的所有領(lǐng)域。正是因為智能機(jī)器人技術(shù)的高度綜合與極其廣泛的應(yīng)用，以及機(jī)器人種類的繁多，我們也很難給其一個準(zhǔn)確的定義。隨著教育信息化與國際化程度的不斷提升，機(jī)器人教育正在全球范圍內(nèi)積極開展，在高等教育中，以智能機(jī)器人技術(shù)為載體的教學(xué)實踐與創(chuàng)新能力培養(yǎng)活動已經(jīng)得到了廣泛的認(rèn)可，并逐步滲透到各個學(xué)科，在一些發(fā)達(dá)國家，機(jī)器人教育可以從幼兒園的啟蒙階段一直延續(xù)到高等教育階段。在國外知名高校，如麻省理工學(xué)院(MIT)、卡耐基梅隆大學(xué)(CMU)、蘇黎世聯(lián)邦工學(xué)院(ETH)等在以智能機(jī)器人為載體的教學(xué)活動中探索機(jī)器人教育的關(guān)鍵技術(shù)和教育教學(xué)方法等方面都取得了明顯的成效［2］，并對機(jī)器人教育的可持續(xù)發(fā)展進(jìn)行了探索［3］，文獻(xiàn)［4］對于在技術(shù)欠發(fā)達(dá)地區(qū)如何開展機(jī)器人教育進(jìn)行了討論。然而，如何有效地開展機(jī)器人教育并無定式，不同高校和不同學(xué)科都有各自的特殊性。本文首先對機(jī)器人教育中存在的問題進(jìn)行了簡要分析，進(jìn)而以西南科技大學(xué)國家級工程訓(xùn)練中心機(jī)器人實驗室為依托，對如何開展機(jī)器人教育進(jìn)行了積極的探索與實踐。

1 機(jī)器人教育滲透到多專業(yè)、多學(xué)科

目前，傳統(tǒng)的觀點過多的將機(jī)器人教育看作是理工科的“專利”，這極大地限制了機(jī)器人教育的開展，我們應(yīng)當(dāng)從機(jī)器人教育的工程思維觀來思考機(jī)器人教育的開展。文獻(xiàn)［5-7］分別從機(jī)械工程、計算機(jī)科學(xué)和輪式機(jī)器人運動控制的角度討論了在具體學(xué)科、專業(yè)中機(jī)器人工程教育的開展，對于工科學(xué)生而言，以機(jī)器人為載體來強(qiáng)化知識和能力的綜合運用的方式已得到廣泛的實踐和認(rèn)可。

隨著機(jī)器人教育內(nèi)涵的不斷延伸，我們認(rèn)為僅僅局限于機(jī)械、電子信息、計算機(jī)等少數(shù)幾個學(xué)科及其專業(yè)的機(jī)器人教育并不能很好的體現(xiàn)現(xiàn)代高等工程教育的“大工程”觀［8］，縱觀近年來機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人正在從工業(yè)環(huán)境逐步滲透到娛樂［9］、福利事業(yè)［10］、醫(yī)療輔助［11］等社會環(huán)境，文獻(xiàn)［6］的統(tǒng)計表明，從1989～2009年，機(jī)器人技術(shù)在生物、感知方面的進(jìn)步趨勢正逐步超越計算機(jī)、機(jī)械和電子工程等傳統(tǒng)優(yōu)勢學(xué)科，然而我國高校中在醫(yī)學(xué)、能源工程、環(huán)境科學(xué)、生物工程等學(xué)科中卻很少有機(jī)器人教育真正意義上開展，但我們已經(jīng)看到這些學(xué)科正在與機(jī)器人技術(shù)產(chǎn)生緊密的聯(lián)系。另一方面，我們認(rèn)為所有專業(yè)的學(xué)生都可以從機(jī)器人感知和機(jī)器人文化的角度出發(fā)，對機(jī)器人在人類社會演進(jìn)歷程進(jìn)行認(rèn)知，了解機(jī)器人在當(dāng)代軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、社會服務(wù)等范圍內(nèi)發(fā)揮的作用，分析和評價機(jī)器人技術(shù)和機(jī)器人文化的進(jìn)步對人類社會和經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生的影響，因此，如何用直觀的展示方法和簡單的動手操作來滿足各層次、各專業(yè)學(xué)生的好奇心，增強(qiáng)學(xué)生工程素質(zhì)，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新意識，提升對科學(xué)探索的求知欲是值得我們深入思考的。

因此，我們認(rèn)為在現(xiàn)代工程教育的理念下，機(jī)器人教育應(yīng)該通過多種方式滲透到各個學(xué)科中［12-13］，并根據(jù)社會的進(jìn)步和需求，在某些非機(jī)電類專業(yè)中進(jìn)行加強(qiáng)，機(jī)器人教育不應(yīng)僅僅看作是一個具體的專業(yè)實驗載體，它應(yīng)當(dāng)為不同專業(yè)的學(xué)生進(jìn)行協(xié)作創(chuàng)新提供一個良好交流平臺。

2 機(jī)器人教育教學(xué)方式的多樣化與體現(xiàn)學(xué)科前沿

近20年來，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展日新月異，各種傳感器的應(yīng)用，機(jī)械結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，微處理器性能的提升以及算法的改進(jìn)等都導(dǎo)致了機(jī)器人在智能化、適應(yīng)性和多樣性等方面產(chǎn)生了顯著的進(jìn)步。因此，大量豐富的信息需要多樣化的教學(xué)方式加以體現(xiàn)，普通的單一實驗裝置已無法滿足教學(xué)要求。

在實踐教學(xué)中:①引導(dǎo)學(xué)生以微處理器為核心單元，輔以常用傳感器，利用學(xué)校的機(jī)械加工設(shè)備構(gòu)建移動移動機(jī)器人平臺來完成特定功能的機(jī)器人制作過程是一個很好的教學(xué)方式;②目前模塊化的機(jī)器人教學(xué)套件廣泛采用，如慧魚、Lego機(jī)器人，這類機(jī)器人教具便于學(xué)生發(fā)揮想象，體驗樂趣，可以讓不具有過多專業(yè)知識的學(xué)生通過一些簡單的圖形化編程操作來完成自己的作品，這兩種方式目前在高校中針對不同層次的學(xué)生都有涉及。但我們需要注意的是，這些內(nèi)容大部分還處于對學(xué)生基本能力的訓(xùn)練的層次，所涉及的內(nèi)容也比較有限。例如，對于工業(yè)機(jī)器人軌跡規(guī)劃，移動機(jī)器人定位導(dǎo)航、地圖構(gòu)建，仿生機(jī)器人，群集機(jī)器人等機(jī)器人學(xué)的前沿?zé)狳c，一般情況下這些內(nèi)容在本科生教學(xué)階段僅個別專業(yè)能少有涉及，盡管這些內(nèi)容還處于研究階段，但這些反應(yīng)學(xué)科前沿的內(nèi)容完全有必要通過簡單易行的方式讓學(xué)生加以認(rèn)識和學(xué)習(xí)，途徑之一是利用軟件仿真來可視化這些內(nèi)容，通過改變參數(shù)觀察不同的結(jié)果，能讓學(xué)生對此有感性認(rèn)識，有興趣的學(xué)生可以通過與教師交流進(jìn)一步學(xué)習(xí)，這對他們中的一部分今后走向科研道路是有幫助的;途徑之二是讓學(xué)生閱讀文獻(xiàn)，其中必須包括外文文獻(xiàn)，然后寫出自己的認(rèn)識和疑惑，這種方式一方面鍛煉了學(xué)生查閱文獻(xiàn)的能力，同時也增強(qiáng)了學(xué)生自主學(xué)習(xí)和主動思考的能力。

除此之外，由于部分實驗裝置數(shù)量有限不利于大范圍的學(xué)生操作，我們還可以通過演示實驗，將教師或科研團(tuán)隊的研究成果制作視頻加以展示等多種手段使學(xué)生了解機(jī)器人技術(shù)研究前沿，激發(fā)學(xué)生的對科學(xué)探索的求知欲，同時還可以吸納有興趣和潛力的學(xué)生加入科研團(tuán)隊進(jìn)行更加深入的研究。

3 現(xiàn)代工程教育背景下的機(jī)器人教育與科技競賽相結(jié)合

教學(xué)過程如何與學(xué)科競賽、科技活動相結(jié)合已有大量文獻(xiàn)進(jìn)行過討論，但需要指出的是，科技競賽不應(yīng)僅僅用技術(shù)指標(biāo)作為衡量依據(jù)?，F(xiàn)代高等工程教育要求融合人文科學(xué)和自然科學(xué)，以培養(yǎng)工程應(yīng)用型人才為目標(biāo)，著力培養(yǎng)學(xué)生的工程意識、工程素質(zhì)以及工程實踐能力。

我們提倡在機(jī)器人教育中用競賽的形式來激發(fā)學(xué)生的實踐熱情和鍛煉學(xué)生的實踐能力［14］，在現(xiàn)階段意義下，我們所指的機(jī)器人或者是一個軟件工程或者是一個軟硬件的結(jié)合體，實際中機(jī)器人的形式大多以后者來體現(xiàn)。因此在現(xiàn)代工程教育觀中，我們強(qiáng)調(diào)無論是課內(nèi)還是課外的競賽，學(xué)生制作的機(jī)器人作品除了預(yù)期的技術(shù)指標(biāo)外，還必須要包括如下因素:意義和社會價值，團(tuán)隊協(xié)作與成員分工，成本預(yù)算與風(fēng)險控制，工業(yè)設(shè)計構(gòu)思，文檔管理規(guī)范，作品效果自我評估，自我表達(dá)能力等。重要的一點是機(jī)器人教育與科技競賽相結(jié)合的產(chǎn)物應(yīng)當(dāng)體現(xiàn)部分創(chuàng)新性，一味的重復(fù)和模仿，不思考，不發(fā)揮想象力，對于任何科技競賽而言都是沒有價值的。

機(jī)器人教育的目的之一就是借助機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展動力來推進(jìn)教育教學(xué)工作的優(yōu)化和發(fā)展，開展科技競賽的目的是提高學(xué)生的實踐能力和工程素質(zhì)，將機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展動力和開展科技競賽的活力有效結(jié)合，以創(chuàng)新能力的激發(fā)和現(xiàn)代工程素質(zhì)的培養(yǎng)為目標(biāo)，充分發(fā)揮現(xiàn)代工程教育背景下機(jī)器人教育的生命力。

4 開展機(jī)器人教育的探索與實踐

機(jī)器人實驗室依托我校國家級實驗教學(xué)示范中心進(jìn)行建設(shè)，實驗室教師團(tuán)隊近年來對如何開展機(jī)器人教育進(jìn)行了積極的探索與實踐。在課程體系的設(shè)置方面，以“電子實訓(xùn)”、“金工實習(xí)”、“創(chuàng)新實踐”、“科學(xué)技術(shù)史”、“工程技術(shù)概論”、“現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)概論”為基礎(chǔ)課程，在此基礎(chǔ)上，我們開設(shè)了“機(jī)器人創(chuàng)意設(shè)計與實踐”、“趣味單片機(jī)制作”、“陶藝制作與鑒賞”等多門素質(zhì)類課程。

圖1 課程層次結(jié)構(gòu)簡圖

圖2 實驗室機(jī)器人教學(xué)設(shè)備

在“機(jī)器人綜合設(shè)計與實踐”課程中，如圖1所示，我們綜合考慮不同層次學(xué)生的需求，首先從機(jī)器人認(rèn)知和機(jī)器人文化開始，通過多媒體的方式讓學(xué)生們對機(jī)器人的種類、現(xiàn)實應(yīng)用、前沿技術(shù)有一個總體的印象。接下來，我們以小組的形式指導(dǎo)學(xué)生完成一個二輪巡線機(jī)器人的制作過程，所有器件和材料和配件都從網(wǎng)上選購，車體面板采用5 mm有機(jī)玻璃，讓學(xué)生根據(jù)各種車載電路板和電機(jī)支架開孔的尺寸要求用CAD作圖，然后使用激光雕刻機(jī)切割外形輪廓并開孔開槽，單片機(jī)小系統(tǒng)來自“電子實訓(xùn)”課程的作品，巡線板作為標(biāo)準(zhǔn)模塊預(yù)先制作完成，并通過熱轉(zhuǎn)印，液體腐蝕、絲網(wǎng)印刷、元器件貼裝、再流焊一系列過程完成電機(jī)驅(qū)動部分的PCB制作，通過這樣的一個實踐過程極大的鍛煉了學(xué)生的實踐動手能力。另一方面，充分利用實驗室現(xiàn)有的實驗設(shè)備，如全向自主移動移動機(jī)器人，6自由度串、并聯(lián)工業(yè)機(jī)器人，16自由度人形機(jī)器人和慧魚組合模型來供學(xué)生學(xué)習(xí)和實踐，見圖2。

同時，我們選取一部分有代表性的技術(shù)做專題講座，如為什么全向輪可以使機(jī)器人不需轉(zhuǎn)向就可以朝任意方向運動，全景視覺在現(xiàn)實中的應(yīng)用，為什么HSV顏色空間比RGB顏色空間更加有利于顏色識別，A*、D*算法與簡單的機(jī)器人路徑規(guī)劃，串聯(lián)機(jī)器人的正、逆運動學(xué)求解等主題，并且對每一個主題我們都通過軟件來實現(xiàn)直觀的可視化分析，如圖3所示，這些 做法都增強(qiáng)學(xué)生對機(jī)器人技術(shù)的認(rèn)知和理解能力。

圖3 機(jī)器人技術(shù)的可視化分析案例

在課程的教學(xué)之外，我們還組建了電子愛好者協(xié)會，進(jìn)一步發(fā)掘了有強(qiáng)烈學(xué)習(xí)興趣和潛質(zhì)學(xué)生，學(xué)生可以通過申請加入“智能機(jī)器人創(chuàng)新實踐班”，在這里他們將進(jìn)一步學(xué)習(xí)和掌握機(jī)器人技術(shù)的相關(guān)知識，進(jìn)而為師生共建科研團(tuán)隊，構(gòu)建創(chuàng)新人才培養(yǎng)平臺提供了必要條件［15］。近年來，我們培養(yǎng)的學(xué)生在全國電子涉及大賽、亞太機(jī)器人大賽、飛思卡爾杯全國大學(xué)生智能車競賽等多項全國賽事中均取得了優(yōu)異的成績，學(xué)生的實踐能力、工程素質(zhì)和創(chuàng)新意識有了明顯的提升。

同時，學(xué)生參與實際工程項目的熱情被不斷激發(fā)，Brokk機(jī)器人智能化改造，以及2009年河南杞縣和廣東番禺輻照裝置卡源故障的成功排除，如圖4所示，既是我校機(jī)器人教育在多學(xué)科之間交叉融合的成果，也是我校師生科研團(tuán)隊工程實踐能力的集中體現(xiàn)，卓有成效地開創(chuàng)了師生共建、責(zé)任共擔(dān)、雙方共贏的新格局，拓展了工程素質(zhì)教育的新途徑。

圖4 師生參與機(jī)器人實際工程項目案例

5 結(jié)語

如何有效地以機(jī)器人教育為載體，把握機(jī)器人技術(shù)進(jìn)步的趨勢，實現(xiàn)多學(xué)科之間的技術(shù)共享和協(xié)作創(chuàng)新，是機(jī)器人教育可持續(xù)發(fā)展重要因素，以現(xiàn)代高等工程教育的“大工程”觀將機(jī)器人教育的本質(zhì)和內(nèi)涵科學(xué)地滲透到各學(xué)科專業(yè)，在提高實踐能力的同時，如何有效激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維和協(xié)作能力，是高校開展機(jī)器人教育應(yīng)重點思考之處。同時，機(jī)器人教育沒有固定的模式，高校在開展機(jī)器人教育的同時，應(yīng)結(jié)合自身特點和優(yōu)勢學(xué)科加以思考和利用，營造以學(xué)生為本的教學(xué)氛圍，讓學(xué)生在充滿樂趣和成就感的氛圍中體驗科技創(chuàng)新所帶來的愉悅感受。

我校近年來在落實培養(yǎng)“具有創(chuàng)新潛能和協(xié)作精神的高級應(yīng)用型專門人才”的目標(biāo)上，充分利用綿陽科技城的區(qū)域優(yōu)勢和優(yōu)勢學(xué)科，倡導(dǎo)“協(xié)同創(chuàng)新”機(jī)制，在如何將機(jī)器人教育與人才培養(yǎng)方面進(jìn)行了積極有效的探索和實踐，值此西南科技大學(xué)建校60周年之際，我們將以吳佑壽院士的題詞“創(chuàng)業(yè)維艱寒暑六十，拼搏奮斗再譜華章”為激勵，在培養(yǎng)高素質(zhì)創(chuàng)新型工程科技人才方面將不斷探索和總結(jié)。

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